Genetsko kartiranje sterilnih genov z epistazo v hrbtnih modelih | dednost

Genetsko kartiranje sterilnih genov z epistazo v hrbtnih modelih | dednost

Anonim

Predmeti

  • Genska interakcija
  • Gensko kartiranje
  • Hibridizacija rastlin

Izvleček

Kartiranje sterilnih genov je bistveno vprašanje, ki ga je treba rešiti za raziskovanje mehanizma sterilnosti pri široki hibridizaciji rastlin. Vendar prej razvite metode ne morejo rešiti problema preslikave sterilnih lokusov z epistazo. V tej študiji smo razvili novo metodo za preslikavo sterilnih genov z epistazo v širokih hibridizacijah rastlin z uporabo backcross zasnove. Za oceno parametrov frakcij rekombinacije in učinkov sterilnih genov smo uporabili metodo največje verjetnosti, konvergentne rezultate teh parametrov pa smo dobili z algoritmom maksimizacije pričakovanj (EM). Uporabo in učinkovitost te metode smo preizkusili in pokazali z naborom simuliranih podatkov in resničnimi analizami podatkov. Rezultati simulacijskih poskusov so pokazali, da metoda deluje dobro za sočasno oceno položaja in učinkov sterilnih genov ter epistazo med sterilnimi geni. Z novo metodo je bil analiziran resnični niz podatkov o populaciji hrbtnih križnic (BC) iz medvrstnega hibrida med gojenim rižem, Oryza sativa in njegovim divjim afriškim sorodnikom, Oryza longistaminata . Na kromosomih 1, 3, 6, 8 in 10 so odkrili pet sterilnih genov, med štirimi pari sterilnih genov pa so ugotovili pomembne epistatične učinke.

Uvod

Široka hibridizacija je koristno orodje pri reji rastlin. Omogoča nam prenašanje zaželenih likov iz prostoživečih vrst v gojene vrste in jih lahko uporabimo za vnašanje tujcev, proučevanje strukture genomov in filogenije, včasih pa jih lahko uporabimo za nastanek nove vrste ali novega pridelka. Vendar je križanje rastlin z dveh različnih vrst zahtevnejše in ima omejen uspeh. Za široko hibridizacijo obstajajo tri glavne ovire: (i) nezdružljivost med matičnimi vrstami; (ii) nezmožnost hibrida F 1 ; in (iii) sterilnost hibrida F1 ali njegovega potomstva (Sharma in Gill, 1983). Nekatere od teh so prezigotske ovire, ki se pojavijo pred oploditvijo, medtem ko so nekatere postzigotske ovire, ki se pojavijo po oploditvi. Postzigotske ovire lahko privedejo do izolacije različnih populacij z zmanjšanjem hibridne kondicije (López-Fernández in Bolnick, 2007). Hibridna sterilnost je ena od postzigotskih ovir, pri kateri hibridi, ki preživijo, ne morejo razmnoževati svojih potomcev. Takšne reproduktivne ovire na splošno ovirajo prenos genov za uporabne lastnosti pri navzkrižnem gojenju poljščin. Kljub pomembnosti teh ovir je le malo jasno o vrsti molekul, povezanih s hibridno sterilnostjo, in o tem, kako nastanejo v postopku specifikacije (Kubo in sod., 2008). Tako moramo za razumevanje genetskega mehanizma postzigotskih ovir pri široki hibridizaciji rastlin identificirati gene, ki vplivajo na plodnost.

Lokacija in učinek reproduktivnih ovir sta bila zgodovinsko ocenjena z analizo povezanosti s preslikano morfološko lastnostjo ali biokemičnimi lokumi. Vendar je kartiranje z visoko ločljivostjo jasno pokazalo genetske arhitekture, na katerih temelji sterilnost hibridov med različnimi vrstami. Zemljevidi genetskega povezovanja so koristno orodje za preslikavo lastnosti, ki jih zanimajo, in za preučevanje razvoja genomske organizacije (Fishman in Willis, 2001; Chen in Tanksley, 2004). Na primer, medoznačno povezovanje povezav omogoča iskanje genetske osnove reproduktivnih izolacijskih mehanizmov v naravnih populacijah, ki lahko privedejo do specifikacije (Moyle in Nakazato, 2008) in genetskih regij, ki nadzorujejo variacijo paritvenega sistema (Chen in Tanksley, 2004; Chen et al., 2007).

DNA markerje lahko uporabimo za analizo kvantitativnih lokusov lastnosti (QTL), ki lahko prispevajo k reproduktivni izolaciji. Vendar pa obstajajo štiri pomembne omejitve pri preučevanju reproduktivnih ovir z uporabo QTL analize. Prvič, kot fenotip posameznika se sterilnost določa tako po lastnih genotipih kot po genotipih potomstva. Brez informacij o genotipih prekinjenih gametov in zigotov bi bilo težko uporabiti metodo QTL za analizo hibridne sterilnosti. Drugič, lastnosti, ki so bile izbrane za preiskavo, so omejene na tiste, za katere verjamejo, da so v mehanizme izolacije vnaprej vključene. Tretjič, težko je primerjati učinkovitost izolacije med različnimi lastnostmi, ki jih z analizo QTL odkrijemo kot reproduktivne ovire. Nenazadnje lahko odstopanja frekvenc alelov oslabijo statistično občutljivost za identifikacijo QTL, kar lahko vpliva na sterilnost ali negibnost na reproduktivni pregradi (Harushima in sod., 2001). DNA markerje lahko uporabimo tudi za preučevanje reproduktivnih ovir z analizo odstopanj od pričakovanih mendelovskih razmerij segregacije. Hibridni geni sterilnosti lahko pri takšnih lokusih in na markerskih lokusih, povezanih z njimi, privedejo do izkrivljanja segregacije. Za analizo reproduktivnih ovir je bilo objavljenih več raziskav z analizo izkrivljanj segregacij markerjev DNA. Cheng in sod. (1996) je predstavil metodo za oceno frakcij rekombinacije med lokusom smrtonosnega faktorja in molekularnimi markerji v bližini; relativno sposobnost preživetja gametov ali zigotov, na katere vpliva letalni faktor, smo dobili s pristopom največje verjetnosti (ML) in algoritmom pogojne maksimizacije pričakovanja (ECM) pri populaciji F 2 . Metoda ML, bajezijska metoda in metoda multiline odzivov nelinearne regresije, ki temelji na molekularnih markerjih, so bili razviti za kartiranje lokusov, ki izkrivljajo segregacijo (SDL), ki so povzročili odstopanja od pričakovanih mendelijskih razmerij ločevanja pri različnih posevkih (Vogl in Xu, 2000; Harushima idr., 2001; Harushima in sod., 2002; Lu in sod., 2002). Luo in Xu (2003) sta razširila metodo ML za kartiranje lokusov rentabilnosti v gojenih populacijah, ki so kot podatke uporabili opažene genotipe markerjev in deleže genotipov lokusa preživetja. Pri dveh populacijah riža F2 ( Oryza sativa L.) je bila za oceno položaja in učinkov SDL uporabljena večtočkovna metoda ML (Wang in sod., 2005). Sporazum med kromosomskimi regijami, ki kažejo izkrivljanje markerjevega razmerja prenosa (TRD), in QTL, za katere je znano, da vsebujejo hibridno nezdružljivost, je bil kvalitativno in kvantitativno ocenjen na genomski lestvici (Moyle in Graham, 2006). Za oceno lokacije in učinka SDL po modelu odgovornosti je bila predlagana večtočkovna metoda ML, skupaj s selekcijskimi koeficienti markerskih genotipov in rekombinacijskih frakcij (Zhu in Zhang, 2007). Chen in Walsh (2009) sta predstavila metodo ML za genetsko preslikavo parcialno sterilnega lokusa samice v povratni populaciji z uporabo genotipnih podatkov molekularnih markerjev. Vendar pa je skupna omejitev zgoraj omenjenih metod ta, da ne morejo obravnavati problema preslikave sterilnih lokusov z epistazo.

Dobzhanski (1936) in Muller (1942) sta predlagala model z dvema lokusoma, v katerem škodljiva epistatična interakcija med različnimi lokusi povzroči hibridno negibnost. Ta model je še vedno splošno sprejet pri rastlinah in živalih, zato ga je mogoče uporabiti tudi za analizo hibridne sterilnosti. Poleg tega hibridna sterilnost kaže na značilno poligensko dedovanje; zato je možno, da je interakcija med poligenom povezana z mehanizmom sterilnosti (Kubo in sod., 2008). Nedavne študije so preslikale epistatične gene, na katerih temelji hibridna sterilnost in negibljivost pri različnih živalskih vrstah, kot sta Drosophila (Orr in Irving, 2001; Chang in Noor, 2010) ter v rastlinah, kot sta Solanum (Moyle in Nakazato, 2009) in riž (Kubo et al., 2008; Garavito in sod., 2010; Kubo in sod., 2011). Zato je epistaza na več kot dveh lokusih lahko bistveno pomembna pri določanju vzorcev in hitrosti izolacije med različnimi vrstami. Kljub temu je razširjenost in narava interakcij med več kot dvema lokusoma iz ene ali obeh vrst, vključenih v hibridizacijo (to je "zapletena epistaza"), in njihovi učinki na hibridno nezdružljivost empirično slabo razumljeni (Moyle in Nakazato, 2009) .

V tej študiji smo razvili novo metodo za preslikavo sterilnih genov z epistazo pri širokih hibridizacijah rastlin z uporabo BC-zasnove. Metoda ML je bila uporabljena za oceno lokacije in intenzivnosti reproduktivnih ovir. Ocenjena je bila tudi relativna sposobnost gamete, ki nosi sterilni alel, v primerjavi z normalno. ML rešitve rešitev so bile pridobljene z algoritmom maksimizacije pričakovanj (EM) (Dempster in sod., 1977). Za ponazoritev metode je bila predstavljena simulacijska študija. Kot uporabo predlagane metode smo analizirali reproduktivne ovire medvrstnega hibrida med gojenim rižem, O. sativa in njegovim divjim sorodnikom Afrike, Oryza longistaminata , z uporabo nasičene molekularne karte (Causse et al., 1994).

Teorija

Genetski model

Model smo razvili v BC dizajnu. Za starše, ki inicirajo križ, se je domnevalo, da so čiste inbredne črte. Starši P 1 ( m 1 m 1 s 1 s 1 m 2 m 2, m 3 m 3 s 2 s 2 m 4 m 4 ) in P 2 ( M 1 M 1 S 1 S 1 M 2 M 2, M 3 M 3 S 2 S 2 M 4 M 4 ) smo križali, da smo ustvarili hibrid F1, kjer sta M 1 -m 1 in M 2 - m 2 dva molekularna markerja, ki obrobita sterilni lokus S 1 - s 1, M 3 -m 3 in M4 - m4 sta dva molekularna označevalca, ki obrobita sterilni lokus S2 - s 2, S 1 - s 1 in S 2 - s 2 pa sta dva nepovezana lokusa, ki sta nameščena na različnih kromosomih. Vrstni red lokusov je M 1 - S 1 - M 2 in M 3 - S 2 - M 4 . Vrednosti rekombinacije med M 1 in S 1, S 1 - M 2, M 3 - S 2 in S 2 - M 4 so r 1, r 2, r 3 in r 4 . Hibrid F 1 iz križca P 1 × P 2 je prepisan enemu od njegovih staršev (tukaj P 2 ), da ustvari populacijo BC n osebkov. Kadar se F1 križa uporablja kot materinski starš, se lahko preslikajo ženski loki sterilnosti in kadar se F1 križa uporablja kot očetovski starš, se lahko preslikajo loci sterilnosti moškega spola. Upoštevamo le situacijo, v kateri se križ F1 uporablja kot matični roditelj (F 1 × P 2 ), v katerem so ženske gamete, ustvarjene s hibridom F1, podvržene izbiri sterilnih genov s 1 in s 2 . Vzdržljivost ženskih gamet s haplotipom s 1 S 2, S 1 s 2 in s 1 s 2 glede na običajne gamete s haplotipom S 1 S 2 so u , v in x , kjer x označuje epistazo med sterilnimi geni s 1 in s 2 .

Naš cilj je preslikati lokuse, ki lahko prispevajo k sterilnosti ženskih gamet z uporabo preslikanih molekularnih markerjev na genomu. Parametri so položaji, učinki in epistatični učinki teh lokusov. V šestih lokusih v modelu je 64 vrst potomcev hibrida F 1 v populaciji BC. Vendar genotipov sterilnih lokusov S 1 - s 1 in S 2 - s 2 ne moremo neposredno opazovati, tukaj pa so samo genotipični podatki samo opaženi genotipi markerjev. Pričakovane pogostosti 16 vrst genotipov pri populaciji M 1 - M 2 in M 3 - M 4 v populaciji BC so navedene v tabeli 1.

Tabela polne velikosti

Ocene parametrov

N smo določili kot skupno število posameznikov v populaciji BC in n i ( i = 1, 2,

.

, 16) kot število opazovanih fenotipov 16 vrst genotipov na markerskih lokusih M 1, M 2, M 3 in M 4 . Potem je funkcija verjetnosti naslednja:

Image

kjer je p i ( i = 1, 2,

.

16) je pričakovana frekvenca i fenotipskega razreda pri molekularnih lokatorjih molekul M1 , M2 , M3 in M4 . Podatki so fenotipska števila, ki ustrezajo genotipom molekularnih markerjev iz tabele 1. V tej študiji so ocenjeni parametri, ki vključujejo rekombinacijske frakcije r 1, r 2, r 3, r 4, in diferencialno sposobnost preživetja u , v in x .

Teoretično je metodo Newtow-Raphson mogoče uporabiti za oceno ML parametrov v enačbi (1), vendar so drugi derivati ​​zapleteni in je zelo težko dobiti eksplicitne rešitve za vse parametre. Zato je bil za oceno parametrov uporabljen algoritem EM (Dempster in sod., 1977).

Domnevali smo, da so štiri vrste genotipov S 1 S 2, s 1 S 2, S 1 s 2 in s 1 s 2 vidne v celotnem naboru podatkov, čeprav dejansko manjkajo. Ko je bilo opaziti vseh 64 genotipov markerjev in sterilnih lokusov, je mogoče celotno funkcijo verjetnosti informacij izraziti na naslednji način:

Image

kjer sta p ij in n ij pričakovana frekvenca in opazovano število j . sterilnega genotipa v genotipu i . markerja. Delna izpeljava k- parametra v verjetnosti logaritma je naslednja:

Image

kjer je θ k = r 1 , r 2 , r 3 , r 4 , u, v, x .

Če zgornje delne derivate postavimo na nič in nato rešimo enačbe, lahko dobimo ocene ML. Iterativni izrazi parametrov so naslednji:

Image
Image
Image
Image
Image
Image
Image

Ker vrednosti n ij v zgornjih enačbah niso upoštevana števila genotipov, parametrov ni mogoče neposredno oceniti. Vendar bi algoritem EM lahko rešil to težavo, ki vključuje naslednje korake:

(1) Inicializacija parametrov: začetna vrednost rekombinacijskega deleža r k (0) ( k = 1, 2, 3, 4) je eno od številk med 0 in 0, 5, koeficient rentabilnosti ( u , v , x ) je inicializiran z 1;

(2) E- korak je izračunati števila n ij s pomočjo p ij , p i in števila genotipov n i :

Image

(3) Korak M je posodobiti ocene parametrov z enačbami (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10).

Iterati E- stopnico in M- stopnico, dokler se ne doseže konvergenca, to je | θ ( k +1) - θ ( k ) | <10 -6 .

Test pomembnosti

Ničelna hipoteza H 0 : u = 1, v = 1, x = 1 je bila uporabljena za preskušanje sterilnih lokusov brez izbire sposobnosti preživetja, statistika preskusa verjetnosti (LR) pa je lahko izražena na naslednji način:

Image

kjer je L (·) verjetnost logaritma in LR 1 približno sledi porazdelitvi χ2 s tremi stopnjami svobode (

Image
) pod hipotezo H 0 . Poleg tega je bila za preverjanje obstoja epistatičnih učinkov sprejeta še ena ničelna hipoteza H 0 : x = 1. Statistika LR je:

Image

LR 2 približno sledi a

Image
distribucija. Za nadzorovanje stopnje napačnega odkritja (FDR) smo vzeli večkratni test, ki ga je predlagal Bonferroni, z α = α * / N , kjer je N število hipotez in α * vrednost stopnje pomembnosti 0, 01 ali 0, 05. Nabor testov, za katere se uporablja ta postopek, je sestavljen iz vseh ničelnih hipotez, ki ustrezajo kombinacijam markerskih intervalov, ki so vključeni v pregled gena za sterilne gene.

Prijave

Za ponazoritev uporabe te metode so bili izvedeni simulacijski poskusi in analizirani so bili resnični podatki iz enega križa v rižu, ki je bil ustvarjen med gojenimi vrstami riža ( O. sativa ) in njegovim divjim sorodnikom iz Afrike ( O. longistaminata ).

Simulacija Monte Carlo

V simulacijskih poskusih sta bila simulirana dva kromosoma. Eden od njih je bil enakomerno razporejen z 10 markerji, katerih skupna dolžina je bila 180 cM; drugi je vseboval osem markerjev, ki so enakomerno razporejeni, skupna dolžina pa je bila 140 cM. Dva sterilna lokusa s 1 in s 2 sta bila nameščena v obeh kromosomih, s 1 je bil v intervalu med markerjem šest (označen kot 1M6) in markerjem sedem (označen kot 1M7) na prvem kromosomu, s 2 v intervalu med markerjem štirje (označeni kot 2M4) in oznaka pet (označeni kot 2M5) na drugem kromosomu. Genska razdalja med s 1 in 1M6 je bila 9 cM, med s 1 in 1M7 pa 11 cM. Genska razdalja med s 2 in 2M4 je bila 12 cM, razdalja med s 2 in 2M5 pa 8 cM. V teh simulacijskih poskusih so bili upoštevani trije dejavniki: velikost vzorca populacije (od 50 do 500), intenzivnost sposobnosti preživetja (0–1) in rekombinacijski delež med sterilnimi lokusi in povezanimi markerji (0–0, 5). Vsak postopek je bil izveden s 1000 ponovitvami, lastnosti vseh kombinacij parametrov pa so bile ovrednotene z uporabo pristranskosti in standardnih odstopanj teh ponovitev.

Kot primer so simulirali nabor podatkov s 300 posamezniki, ocene parametrov pa so navedene v tabeli 2. V tem primeru le v intervalih, kjer so bili domnevni sterilni geni, to je interval med markerjema 1M6 in 1M7 (označen kot 1M 67 ) in interval med 2M4 in 2M5 (označen kot 2M 45 ) sta bili oceni za sedem parametrov zelo blizu njihovim resničnim vrednostim. Čim dlje so intervalni markerji od bočne označevalne kombinacije 1M 67 -2M 45, tem večje ocene življenjske sposobnosti ( u , v in x ) odstopajo od ustreznih pravih vrednosti. Kadar so bili markerji dovolj oddaljeni od sterilnih lokusov, so ocene sposobnosti preživetja ( u , v in x ) 1, kar pomeni, da so ti markerji v običajni segregaciji.

Tabela polne velikosti

Statistični podatki LR za teste na prisotnost izbire sposobnosti preživetja ( LR 1 ) in epistazo med lokusi ( LR 2 ) dobimo s pomočjo ocen sedmih parametrov. Rezultati so prikazani na sliki 1. Najvišji vrednosti LR 1 in LR 2 sta opaženi pri šestem intervalnem označevalcu ( 1M 67 ) in četrtem intervalu ( 2M 45 ) obeh kromosomov, torej bočni označevalni kombinaciji 1M 67 -2M 45, ki vsebuje sterilne gene s 1 in s 2 . Mejne vrednosti α pri več preskusih za LR 1 so 7, 94e-4 (α * = 0, 05) in 1, 59e-4 (α * = 0, 01), vrednosti LR 2 pa 9, 40e-4 (α * = 0, 05) in 1, 11e-4 (α * = 0, 01). P- vrednosti χ2-testa za sedem ocen v 1M 67 -2M 45 so zelo pomembne ( P <1, 59e-4). Ta primer kaže, da so ocene, pridobljene z novo metodo, nepristranske in se preizkusi hipotez obnašajo po pričakovanjih.

Image

Vrednost verjetnostnega razmerja (LR) hipoteznega testa v simulaciji Monte Carlo. ( a ) preizkus izbire sposobnosti preživetja; ( b ) test epistaze.

Slika v polni velikosti

Obstajajo trije dejavniki, ki vplivajo na oceno parametrov, vključno z velikostjo vzorca za kartografsko populacijo, intenziteto sposobnosti preživetja in rekombinacijskimi frakcijami med sterilnimi geni in bočnimi markerji. Učinki teh dejavnikov na oceno parametrov so prikazani na sliki 2, kjer so prikazana standardna odstopanja in pristranskost od 1000 ponovitev. Rezultati kažejo, da: (1) kadar je velikost vzorca populacije BC večja od 100, so ocene za lokacije in učinke sterilnih genov skoraj nepristranske, povečanje velikosti vzorca pa lahko zmanjša pristranskost in jo približa ničli na koncu (slika 2a); Medtem pa so tudi njihova standardna odstopanja majhna in se zmanjšujejo s povečevanjem velikosti vzorca. (Slika 2b). (2) Kadar je parameter r 1 manjši od 0, 35, se v ocene drugih parametrov vnese malo pristranskosti; kadar je delež rekombinacije r 1 večji od 0, 35, se pristranskost parametrov u in r 2 močno poveča. To je lahko posledica dejstva, da so parametri u , r 2 in r 1 približno isti sterilni gen s 1 v istem intervalu; hkrati ima standardni odmik podoben trend z pristranskostjo parametrov (slika 2d). (3) Ko se učinek rentabilnosti u povečuje z 0 na 1, se pristranskost in standardni odklon parametrov r 1, r 2 in u postopoma povečujeta; vendar so vse te vrednosti manjše od 0, 15, na druge parametre pa to ne vpliva (sliki 2e in f). Ti rezultati kažejo, da je predlagana metoda najučinkovitejša, kadar je velikost vzorca velika (> 100), je rekombinacija majhna in obstajajo močni učinki na sposobnost preživetja.

Image

Vpliv velikosti vzorca, rekombinacijske frakcije in sposobnosti preživetja na ocene parametrov. a in b prikazujejo pristranskost in sd r , u , v in x v različnih velikostih vzorcev ( r 1 = 0, 15, r 2 = 0, 1, r 3 = 0, 12, r 4 = 0, 2, u = 0, 1, v = 0, 2, x = 0, 05); c in d prikazujeta pristranskost in sd r , u , v in x v različnih vrednostih rekombinacijske frakcije r 1 ( r 2 = 0, 1, r 3 = 0, 12, r 4 = 0, 2, u = 0, 1, v = 0, 2, x = 0, 05); e in f prikazujeta pristranskost in sd r , u , v in x v različnih vrednostih sposobnosti preživetja u ( r 1 = 0, 15, r 2 = 0, 1, r 3 = 0, 12, r 4 = 0, 2, v = 0, 2, x = 0, 1 ).

Slika v polni velikosti

Realna analiza podatkov

Kot uporabo nove metode smo analizirali resnični nabor podatkov populacije riževega BC s pomočjo nasičene molekularne karte. Ta populacija ( O. sativa / O. Longistaminata // O. Sativa ) je izvirala iz interspecifičnega hibrida med dvema vrstama riža, gojenega ( O. sativa ) in njegovega afriškega divjega sorodnika ( O. longistaminata ) (Causse et al., 1994 ). Podatke RFLP preslikave iz križa O. sativa × O. longistaminata je predložila Susan R. McCouch z oddelka za rejo rastlin in genetiko Univerze Cornell. Vrste O. longistaminata so izolirane od drugih vrst genoma AA z močno reproduktivno pregrado (Causse in sod., 1994). Molekulska karta je vsebovala 726 markerjev in na 1, 3, 6, 8 in 10 kromosomih smo odkrili pet sterilnih genov, imenovanih s b 1, s b 3, s b 6, s b 8 in s b 10 . Lokacije in epistatični učinki teh sterilnih lokusov so prikazani v tabelah 3 oziroma 4. V štirih parih sterilnih genov smo ugotovili pomembno epistazo (slika 3). Ker je populacija nastala s križanjem interspecifičnega hibrida F 1 kot ženskega starša na gojen riž kot moški starš, naj bi bili odkriti sterilni geni ženski sterilni geni. Isti sterilni gen je dobil podobne ocene učinkov preživetja v različnih kombinacijah markerjev (tabela 4). Tabela 4 kaže, da je učinek epistaze sterilnih genov vsaj manjši od učinka enega sterilnega gena, obstajajo pa tudi razmere, v katerih epistaza učinkuje manj kot dva sterilna gena.

Tabela polne velikosti

Tabela polne velikosti

Image

Položaj in epistaza sterilnih genov v populaciji BC ( Oryza sativa / Oryza longistaminata // Oryza sativa ). Prekinjene črte označujejo lokacijo v bočnih označevalcih, polline z dvojno puščico povezujejo medsebojno delujoče loke in kažejo, da so bili med štirimi pari sterilnih lokusov na povezanem zemljevidu odkriti epistatični učinki.

Slika v polni velikosti

Diskusija

Pri več vrstah rastlin in živali so poročali o sterilnih genih v široki hibridizaciji. Genetsko kartiranje sterilnih genov ima zelo pomembno vlogo pri teoretičnih raziskavah in praktični uporabi (Song et al., 2005). Tradicionalne metode za preslikavo sterilnih genov so pogosto odvisne od podatkov o semenu, postavljenem v rastlini, hitrosti peloda, obarvanega z I2 -KI, ali od morfologije zarodkovnih vrečk (Chen in Walsh, 2009, in reference). Te lastnosti so občutljive za okolje, zato kriterij stopnje sterilnosti med različnimi raziskovalci ni skladen. Nekatere metode so bile razvite za preslikavo sterilnih genov ali ločevalcev izkrivljanja ločitve (Vogl in Xu, 2000; Luo in Xu, 2003; Luo in sod., 2004; Wang in sod., 2005; Chen in Walsh, 2009). Ti pristopi izkoriščajo uporabo izkrivljenih ločevalnih molekularnih markerjev, povezanih s sterilnimi geni, ki zaobidejo težave s setvijo semen, hitrostjo splavanega cvetnega prahu ali morfologijo zarodkovnih vrečk, vendar noben od njih ni upošteval obstoja epistaze med sterilnimi lokusi. Čeprav velja, da epistaza igra hibridno sterilnost, je bilo izvedenih le nekaj raziskav, da bi odkrili epistatične učinke med sterilnimi lokusi, ki prispevajo k neprimernosti hibrida. V tem prispevku smo predstavili statistično metodo z uporabo izkrivljenih ločevalnih markerjev za preslikavo sterilnih genov z epistazo pri širokih hibridizacijah rastlin v populaciji BC. Nova metoda se lahko učinkovito izogne ​​pomanjkanju okoljskih vplivov in neskladnosti v merilih sterilnosti.

V klasični genetiki se izraz epistaza nanaša na več vrst interakcij genov, vključno s komplementarnim, aditivnim, dvojnim učinkom itd. (Phillips, 1998). Ti učinki povzročajo fiksno ločeno razmerje lastnosti v populaciji potomcev, s katerim je mogoče določiti vrsto epistaze. Toda v najbolj praktični situaciji je vrsto epistaze težko ločiti povsem zaradi kompleksnega odnosa genov in vpliva okolja. Kadar so splošne lastnosti podvržene večtočkovnim genskim interakcijam, je kvantitativna metoda uporabna. Toda epistaza sterilnih genov se razlikuje od tradicionalne epistaze. Učinek nekaterih sterilnih genov lahko povzroči, da je posameznik mrtev, in kadar je v posamezniku veliko sterilnih genov, lahko izražanje v enem sterilnem genu vpliva na to v drugih; tako so epistatične interakcije med njimi zapletene. Za preučevanje epistaze sterilnih genov je epistaza, ki je obravnavana v tem prispevku, vzeta kot en sam parameter, ki lahko v svoji konvencionalni definiciji vključuje različne vrste epistaze; to lahko reši praktično težavo in zmanjša kompleksnost metode za ocenjevanje.

Epistatični učinki so bili ugotovljeni med štirimi pari sterilnih genov v resnični analizi podatkov pri populaciji BC iz interspecifične hibridizacijske riže po naši metodi. Iz razmerja učinka epistaze ( x ) in glavnih učinkov sterilnih genov ( u , v ) ugotovimo, da je parameter x manj kot eden od dveh glavnih učinkov ali manj kot oba. Razlikuje se od položaja prevladujoče epistaze ali recesivne epistaze v klasični genetiki, kar je v skladu z modelom in predpostavkami, ki smo jih v celoti predlagali. Parameter x je učinek epistaze dveh sterilnih genov, ki obstajajo v gameti; u in v so učinki le enega sterilnega gena. V procesu nastajanja gamete vključujejo gamete 0, 1 in 2 sterilne gene, katerih učinek sposobnosti preživetja ustreza 1, u ali v , x . Rezultat je potrdil izvedljivost naše metode pri praktični uporabi.

Metoda, predstavljena v tem prispevku, uporablja bočne označevalce v populaciji BC. Razvili smo tudi metodo z uporabo enojnih in bočnih markerjev v dveh različnih kromosomih, kar je podobno kot intervalna metoda, le da je treba oceniti eno manj raztopino rekombinacijske frakcije. Intervalna metoda uporablja največjo količino informacij o označevalcih, zato je natančnejša za določitev parametrov; vendar je izračunski znesek velik med skeniranjem celotnega genoma. Če je en sterilni gen v kromosomu kandidatni gen in je tesno povezan z markerjem, kot je gen za široko združljivost s 5 n (Ouyang in sod., 2010), se za lokalni interval priporoča odkrivanje epistaze med s 5 n in drugi lokusi. Kadar sterilni geni niso znani, je metoda v tem prispevku bolj primerna. Za vrste, v katerih je enostavno pridobiti populacijo BC, kot je riž, je naša metoda uporabna. Vendar pa se za kartiranje težjih vrst, kot je soja, pogosteje uporablja populacija F 2, namesto povratnega križa. Za razvoj metod za druge vrste eksperimentalnih modelov so potrebne nadaljnje študije.

Arhiviranje podatkov

Podatke RFLP preslikave, ki smo jih analizirali v naši študiji, je predložila Susan R. McCouch z oddelka za rejo rastlin in genetiko Univerze Cornell. Do podatkov lahko dostopate in jih naložite s spletne strani univerze Cornell na naslovu: //ricelab.plbr.cornell.edu/Causse_at_al_1994.